社科大類“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”教學(xué)方法研究與情境案例設(shè)計(jì)

歐陽元新

面向核心素養(yǎng)的信息科技教育注重對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培育，以及“綜合應(yīng)用”和“問題解決”等高階能力的發(fā)展，突出在具體情境中開展教育而非簡(jiǎn)單的機(jī)械操作。[1]北京航空航天大學(xué)“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”是面向非信息類一年級(jí)新生的信息科技類基礎(chǔ)課程，旨在通過系列案例講解、課堂研討和上機(jī)實(shí)踐，幫助學(xué)生理解計(jì)算思維，掌握使用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的一般方法，為各專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新活動(dòng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其中社會(huì)科學(xué)大類教學(xué)班由法學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、行政管理專業(yè)學(xué)生組成，文科生源約占80%。

社科大類學(xué)生高階計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)目標(biāo)

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，信息素養(yǎng)和人文素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)一樣，已成為現(xiàn)代人必須具備的核心素養(yǎng)，其代表的是信息獲取、信息鑒別和信息利用的意識(shí)和能力。而計(jì)算思維是信息素養(yǎng)的核心之一，其在學(xué)生綜合素質(zhì)中的位置將越來越重要。根據(jù)修訂后的布魯姆認(rèn)知目標(biāo)分類體系[2]，分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造屬于高階的思維能力，學(xué)生應(yīng)能夠：①將信息分解，以探究、理解、發(fā)現(xiàn)其中的關(guān)聯(lián)，完成對(duì)比、組織、解構(gòu)、提問以及探尋;②對(duì)行為決策進(jìn)行理性評(píng)價(jià)，完成校驗(yàn)、假設(shè)、批判、實(shí)驗(yàn)和判斷;③創(chuàng)造出新想法、新產(chǎn)品或看待事物的新方法，完成設(shè)計(jì)、構(gòu)建、計(jì)劃、創(chuàng)造以及創(chuàng)新。

在對(duì)法學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、行政管理專業(yè)研究方向進(jìn)行調(diào)研之后，本課程組將社科大類學(xué)生高階計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)目標(biāo)定位為掌握探究社會(huì)問題的科學(xué)研究方法、具有良好的科學(xué)和人文素養(yǎng)、具有自我發(fā)展和自主學(xué)習(xí)能力三個(gè)方面。同時(shí)，確定了課程的目標(biāo)與任務(wù)，即按照問題求解的方式表述教學(xué)內(nèi)容和實(shí)施教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生理解如何使用計(jì)算機(jī)解決現(xiàn)實(shí)中的社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)分析問題，學(xué)習(xí)使用Python語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)分析和結(jié)果展現(xiàn)，能夠使用常用工具軟件完成社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)分析報(bào)告和成果展示。具體教學(xué)目標(biāo)可分解為以下五點(diǎn)：

①了解計(jì)算思維，具備基本的運(yùn)用計(jì)算思維思想解決數(shù)據(jù)分析問題的能力;

②理解算法的概念，了解基本的算法控制結(jié)構(gòu)，逐步理解使用計(jì)算機(jī)求解問題的一般方法;

③能使用Python語言實(shí)現(xiàn)基本的程序設(shè)計(jì);

④能夠運(yùn)用Python語言進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)分析和結(jié)果展現(xiàn);

⑤能夠使用常用工具軟件的基本功能，具備通過自學(xué)掌握其他高級(jí)功能的能力。

以解決社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)分析問題為導(dǎo)向的項(xiàng)目式教學(xué)方法研究

信息技術(shù)學(xué)科具有理論性、工具性和實(shí)踐性并重的特征，正因?yàn)槿绱?，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出“倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，將知識(shí)建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入到運(yùn)用數(shù)字化工具解決問題和完成任務(wù)的過程中”。[3]項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種基于構(gòu)建主義思想的學(xué)習(xí)模式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，讓學(xué)生在真實(shí)問題情境中探究學(xué)習(xí)。根據(jù)文獻(xiàn)得知，境外項(xiàng)目式學(xué)習(xí)主要集中于高等教育（大學(xué)本科）階段的工科類及科學(xué)相關(guān)專業(yè)。有研究表明，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的運(yùn)用能夠優(yōu)化教學(xué)效果，提高學(xué)生興趣。[4]

在過去兩學(xué)年的教學(xué)過程中，本課程組已在社科大類的教學(xué)過程中進(jìn)行了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的初步嘗試（如下圖）。在學(xué)期初，安排學(xué)生從自己的大類學(xué)科領(lǐng)域出發(fā)，尋找一個(gè)可以通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法或者大數(shù)據(jù)方法求解的問題。在課程的學(xué)習(xí)過程中，逐步掌握使用計(jì)算機(jī)求解計(jì)算問題的方法、數(shù)據(jù)文件的訪問方法、數(shù)據(jù)分析結(jié)果的呈現(xiàn)方法，最終通過設(shè)計(jì)大作業(yè)海報(bào)和答辯環(huán)節(jié)，展示項(xiàng)目的成果。

基于真實(shí)情境的教學(xué)與實(shí)踐案例設(shè)計(jì)

由于選課學(xué)生中的文科生源比例較大，與理科和綜合改革生源相比，他們?cè)诟咧须A段接受的形式化邏輯訓(xùn)練偏弱，所以不少學(xué)生在學(xué)習(xí)編程語言的時(shí)候遇到了較大障礙。為了避免“以信息學(xué)科的教學(xué)方法培養(yǎng)非信息專業(yè)學(xué)生”，本課程教學(xué)實(shí)施中強(qiáng)調(diào)情境教育和案例化教學(xué)。考慮到在本課程開設(shè)的春季學(xué)期，同時(shí)還安排有一定數(shù)量的法律類課程，課程組設(shè)計(jì)了一系列與刑法相關(guān)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)案例，將程序設(shè)計(jì)與問題求解緊密結(jié)合，讓學(xué)生的注意力回歸到需要解決的問題本身，進(jìn)而引導(dǎo)他們像計(jì)算機(jī)專家一樣思考、理解和解決問題。

考慮到教學(xué)內(nèi)容和題目設(shè)計(jì)難度較大，案例情境較現(xiàn)實(shí)情況有一定程度的簡(jiǎn)化。例如，在我國的法律體系中，由全國人大及其常委會(huì)頒布的為“法律”，由國務(wù)院頒布的為“行政法規(guī)”，由最高法、最高檢頒布的為“司法解釋”。簡(jiǎn)言之，以“法”結(jié)尾的一般為法律，以“國務(wù)院”開頭的或者以“條例”結(jié)尾的一般是行政法規(guī)，以“最高人民法院”或者“最高人民檢察院”開頭的一般為司法解釋。上述“開頭”和“結(jié)尾”可直接作為Python字符串和列表索引位的教學(xué)案例。此外，在Python字典類型的教學(xué)過程中，以往使用的是{姓名：電話}等相對(duì)生活化的案例，而在刑法分則相關(guān)文獻(xiàn)中，引用刑法法條往往只標(biāo)明序號(hào)（如第一百零二條對(duì)應(yīng)“背叛國家罪”等），可以使用{序號(hào)：罪名}生成字典，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過序號(hào)查找相應(yīng)的罪名。以下案例則是給學(xué)生留下深刻印象的上機(jī)實(shí)踐案例。

實(shí)踐案例1：故意毀壞公私財(cái)物立案追訴判定。

對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)：條件分支與復(fù)合表達(dá)式。

案例情境：根據(jù)我國刑法，故意毀壞公私財(cái)物，有下列情形之一的，應(yīng)予以立案追訴：造成公私財(cái)物損失5000元及以上的，毀壞公私財(cái)物3次及以上的，糾集3人及以上公然毀壞公私財(cái)物的。如果有熱心市民向民警舉報(bào)有人故意毀壞公私財(cái)物，請(qǐng)幫忙算一算是否立案?jìng)刹椤?/p>

案例說明：本案例幫助理解復(fù)合表達(dá)式和分支語句的使用方法。首先分別輸入造成公私財(cái)物損失數(shù)額、毀壞公私財(cái)物次數(shù)、糾集人數(shù)（均使用整型變量存儲(chǔ)），之后使用分支語句對(duì)是否符合立案?jìng)刹榈臈l件進(jìn)行判斷，并輸出。為了增加程序的可讀性，建議使用復(fù)合表達(dá)式來描述是否滿足立案三個(gè)情形（條件）之一。

實(shí)踐案例2：案件是否受到刑修十的規(guī)制。

對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)：字符串split方法、字符串排序與數(shù)值排序。

案例情境：《中華人民共和國刑法修正案（十）》（簡(jiǎn)稱《刑修十》）由中華人民共和國第十二屆全國人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第三十次會(huì)議于2017年11月4日通過，中華人民共和國主席令（第八十號(hào)）于2017年11月4日公布，自公布之日起施行。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)程序，使得給出一個(gè)輸入時(shí)間（年-月-日），可以輸出該時(shí)間發(fā)生的刑事案件是否受到《刑修十》的規(guī)制。

案例說明：本案例幫助理解字符串split方法和列表自動(dòng)生成器的用法，以及字符串排序和數(shù)值排序的區(qū)別。首先使用split方法，將以“-”分隔的輸入字符串轉(zhuǎn)換為字符串列表，之后使用自動(dòng)生成器轉(zhuǎn)換為整型列表，并進(jìn)行時(shí)間大小的判斷。本案例如果直接使用字符串比較大小，則可能出現(xiàn)“2017-9-1”大于“2017-11-4”，導(dǎo)致判斷錯(cuò)誤。

實(shí)踐案例3：數(shù)罪并罰的最高刑期與最低刑期。

對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)：max、sum函數(shù)。

案例情境：根據(jù)我國刑法，我國有期徒刑的期限為半年到十五年;在數(shù)罪并罰的情況下應(yīng)當(dāng)在各個(gè)罪名總刑期以下，數(shù)刑中最高刑期以上，酌定決定執(zhí)行的刑期。但是有期徒刑總和刑期不滿三十五年的，最高不能超過二十年，總和刑期在三十五年及以上的，最高不能超過二十五年。現(xiàn)在某被告觸犯了若干種罪名，每個(gè)罪名要被判處有期徒刑若干年，請(qǐng)計(jì)算出他可能面臨的最高刑期與最低刑期。

案例說明：本案例在生成存儲(chǔ)數(shù)刑刑期的整型列表之后，需要分別使用max和sum函數(shù)得到數(shù)刑中的最高刑期（即總刑期的最低刑期）和總和刑期，再進(jìn)行最高刑期的判斷。由于文字?jǐn)⑹錾嫌腥菀谆煜狞c(diǎn)（如總刑期、總和刑期、最高刑期等），學(xué)生在抽象判斷條件的過程中遇到了不小的麻煩，因此部分同學(xué)耗時(shí)較長(zhǎng)。

結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，前沿技術(shù)（特別是大數(shù)據(jù)、人工智能）與各專業(yè)領(lǐng)域的結(jié)合已經(jīng)成為當(dāng)前的應(yīng)用推廣熱點(diǎn)。人工智能時(shí)代不僅僅需要專業(yè)的科研人才，同樣需要具有創(chuàng)新意識(shí)的交叉學(xué)科應(yīng)用推廣人才，這其中也包含與社會(huì)科學(xué)的交叉人才。同時(shí)，越來越多的創(chuàng)新活動(dòng)也需要跨領(lǐng)域的協(xié)同合作才能完成。因此，在本課程的后續(xù)建設(shè)過程中，將逐步幫助學(xué)生建立對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的深度理解，并在實(shí)踐中著重培養(yǎng)他們?cè)诂F(xiàn)有科技成果基礎(chǔ)上的集成式（合作）開發(fā)能力，讓他們從大一開始就具有“人工智能+”的意識(shí)，這也是新時(shí)代對(duì)本課程提出的更高要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì).《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]Center for Advancing Teaching and Learning Trough Research. REVISED Blooms Taxonomy Action Verbs[EB/OL]. http：//www.northeastern.edu/nuolirc/wp-content/uploads/2018/01/Blooms-Taxonomy-Handout.pdf

[3]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版） [M].北京：人民教育出版社，2018.

[4]張文蘭，蘇瑞.境外項(xiàng)目式學(xué)習(xí)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)、趨勢(shì)與啟示——基于CiteSpace的數(shù)據(jù)可視化分析[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2018，36（05）：91-102.